FENOMENOS ELECTROSTATICOS
Objetivos
1. 2. 3. 4.
Observar algunos fenomenos de la electricidad estatica Deducir la existencia de dos tipos de cargas electricas. Conocer el proceso de carga por induccion de un cuerpo conductor. Conocer el electroscopio y el electr6foro y aprender a usarlos.
Mar co teo rico
La materia esta formada por atom os. Un atomo consiste de un nucleo .en el cual se encuentran unas particulas denominadas protones, que tienen carga electrica positiva y otras particulas llamadas neutrones, que no poseen carga electrica neta. Alrededor del nucleo se encuentran otras paIiiculas llamadas electrones que tienen carga electrica negativa. EI valor de la carga electrica de un proton es igual al valor de la carga electrica de un electron. En su estado natural un atomo posee el mismo numero de electrones que de protones y, por tanto, es electricamente neutro. Si un atomo pierde electrones queda cargado positivamente y si gana electrones queda cargado negativamente. Cuando materiales diferentes se ponen en contacto intimo ocurre una transferencia de carga de un material al otro de manera que al separar los objetos uno ad qui ere carga de un signa y el otro de signa contrario. Por ejemplo, cuando una cinta adhesiva se pega sobre una superficie aislante y luego se retira, tanto la cinta como la superficie se cargan con cargas opuestas, 0 cuando una rueda plastica gira sobre una banda de caucho tanto la superficie .como la rueda quedan electrificadas. Sin embargo, cuando uno de los materiales es rugosa 0 fibroso, el area de contacto es insuficiente, en este casu el proceso de frotamiento de un material con el otro la aumenta considerablemente permitiendo el contacto intimo. El frotamiento 0 fricci6n no es fa causa de la electrificaci6n.. En particular, fa ebonita frotada con pafio 0 lana gana electrones y por tanto queda cargada negativamente mientras que ef vidrio frotado con seda pierde electrones y queda cargado positivamente. Desde la antigUedad se observ6 este fen6meno al frotar el arubar, de donde naci6 el termino electricidad (elektro = arubar en griego) Una sustancia que puede arrebatar electrones de un material puede servir como donante frente a un receptor mas potente. El vidrio frotado con asbesto tomara electrones de tan fibroso material y se hace negativo, pero si se frota con seda 0 frane1a, al perder electrones, quedara con carga positiva. El contacto entre cualquier par de sustancias de las columnas de la siguente tabla hace que la que aparece por encima quede con carga positiva y con carga negativa la que este por debajol .
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Hecht, E. Fisica en Perspectiva, Adison Wesley Iberoamericana, Cap. 17, pp 460.
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Asbestos Piel (conejo) Vidrio Mica Lana Cuarzo Piel (gato) Plomo Seda,cobre, bronce Piel human a, aluminio, caucho Algodon, azufre Madera, celuloide Ambar, goma Una carga el6ctrica negativa ejerce una fuerza de repulsion sobre otra carga negativa y una fuerza de atraccion sobre una carga positiva. Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. Los materiales, debido a sus propiedades e16ctricas, se pueden dividir en: . conductores, aisladores 0 dielectricos, semiconductores. Un material conductor es aquel en el cual la carga electrica se puede mover con gran facilidad a traves de 61. En un conductor solido s610 se pueden mover los electrones, pero si el conductor es liquido 0 es un gas, se pueden mover tanto las cargas positivas como las negativas. Un material aislador 0 diel6ctrico es ague1 en el cual la carga electrica se mueve con gran dificultad a traves de 61. Algunos materiales, como el germanio y el silicio son buenos aislantes cuando se encuentran en estado cristalino puro pero su conductividad aumenta considerablemente cuando se sustituye un solo .itomo en 10 millones por una impureza que afiade 0 extrae un electr6n de la estructura cristalina. Estos materiales se comportan a veces como aislantes y a veces como conductores, se los denomina semiconductores. A temperaturas cercanas al cero absoluto la conductividad de ciertos metales se hace infinita (es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero). Se trata de los superconductores.Desde 1987 se han descubiertos ciertos compuestos no metaIicos- que presentan superconductividad a altas temperaturas (T > 100 K) El electr%ro El electr6foro es un disco metalico que se puede manipular mediante un mango 0 soporte aislante (Figura 1) Y cuya cara inferior esta recubierta con pintura. Esta lamina se puede cargar mediante un proceso de induccion que se explica a continuaci6n:
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e
Se frota una lamina de plexiglass con un pano, por 10 tanto hay una transferencia de carga de un material al otro permitiendo que el plexiglass que de cargado (suponemos que la carga es positiva). Despues se coloca el electr6foro sobre el plexiglass; debido al recubrimiento de pintura de la cara inferior del electr6foro, no hay contacto electrico entre el disco metalico y el plexiglas. En el conductor algunos electrones se pueden mover libremente y por 10 tanto la superficie del conductor que esta m<:lS cerca a este, adquiere una carga negativa y la otra superficie carga positiva. Este proceso de distribuci6n de carga se denomina inducci6n (ver Fig. 1)
Recubrimiento pintura
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Plexiglass
Figura 1. Distribuei6n de la carga en el electr6foro indue ida por el plexiglass cargado.
Ahora se pone en contacto el disco del electr6foro con "tierra" mediante un alarnbre conductor (Se entiende poT "tierra" un objeto conductor muy grande capaz de dar 0 recibir una gran cantidad de carga, por ejemplo las tuberias metalicas que conducen agua se pueden usar como uria buena "tierra"). Carga electrica negativa fluye desde tierra, atraida por la carga positiva del plexiglass, quedando el disco del electr6foro cargado negativamente, aun despues de retirar la conexi6n a tierra (cuando se quita el contacto a tierra esta carga permanece en el electr6foro). Se puede comprobar esto acercando el electr6foro a una superficie conductora conectada con tierra y observando una chi spa que pasa entre el electr6foro y la superficie. El hecho de que el procedimiento anterior se pueda repetir varias veces sin frotar la lamina de plexiglass de nuevo, muestra . que el proceso principal responsable de la carga del electr6foro no es la transferencia de carga desde el plexiglass sino un proceso de inducci6n. Si el electr6foro se coloca sobre una superficie cargada negativarnen1e, por ejemplo sobre un acetato previarnente frotado con un pafio, la carga inducida sera positiva y el electr6foro quedara cargado positivarnente despues de hacer un corto contacto a tierra. El Electroscopio.
El electroscopio es un instrumento que sirve para detectar la carga electrica y observar algunas de sus propiedades. EI tipo mas comtin de electroscopio consta de dos pequefias laminas muy delgadas y livianas, las cuales estan unidas a una esfera (E) por medio de una barra metalica como se indica en la Figura 2. La barra esta aislada de la caja que la contiene para evitar que la carga electrica pase a ella. 13
Figura 2. EI electroscopio
Cuando el electroscopio se encuentra descargado (electricamente neutro) y no hay ningiln objeto cargado cerca, las laminas permanecen unidas. Al acercar un objeto cargado, por ejemplo negativamente a la esfera E, los electrones se desplazan hacia el extremo opuesto, es decir hacia las laminas y ambas adquiriran carga negativa. Al tener carga del mismo signa habra entre ellas una fuerza de repulsi6n, esta fuerza es suficientemente grande para producir una separaci6n entre ellas. Al alejar el objeto cargado las himinas del electroscopio se vuel yen a unir. Un electroscopio tam bien puede tener una forma como la mostrada en la figura 3. Si el electr6foro cargado se acerca suficientemente al electroscopib saltara una chispa entre los dos y se transferira carga a este ultimo. La deflexi6n del electroscopio persiste aunque se aleje el electr6foro.
Procedimiento 1. Cuando se frota una hoja de acetato con un pafio, esta queda con carga de signa contrario a aqueUa que adquiere una lamina de plexiglass sometida al mismo procedimiento. Para comprobar esto se hace 10 siguiente: a) Frote la lamina de plexiglass con un pafio, ponga sobre ella el electr6foro, conecte a tierra por un instante el disco metaIico del electr6foro. (,Que tipo de carga adquiri6 el electr6foro? b) Acerque el electr6foro al electroscopio hasta que salte una chi spa. (,C6mo queda cargado el electroscopio? c) Descargue el electr6foro co~ectandolo mornentanearnente a tierra, y carguelo por el procedimiento ya descrito · con una hoja de acetato frotada con el mismo pano. Acerque el electr6foro al electroscopio previamente cargado. Explique 10 que observa. d) Si en vez de cargar el electr6foro con la hoja de acetato, se carga nuevamente con la lamina de plexiglass y se acerca al electroscopio cargado inicialmente, (,que observa? GPor que? 14
En resumen, tenemos un metoda para distinguir ,el signo de la carga electrica. Si al .aCercar un objeto a un electroscopio cargado la deflexi6n disminuye, su carga es de signo contrario a la del electroscopio. Si aumenta (mientras el objeto se acerca), es del mismo signo. Use este metodo para comparar las cargas electricas que adquieren otros materiales al ser frotados.
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~DISCO meta'1'ICO
Pieza metalica movil Figura 3. Electroscopio y electr6foro 2. Existe otra forma de cargar el electroscopio, que es por induccion y el procedimiento es similar al usado para cargar el e1ectr6foro. El procedimiento es el siguiente: a) Acerquele un objeto cargado y conecte el electroscopio a tierra. Quite el contacto a tierra y finalmente retire el objeto cargado. b) Verifique si la carga del electroscopio es del mismo signa (u opuesto) al delobjeto cargado. Explique 10 observado. Usted tiene a su disposicion un instrumento para detectar la clase de carga y su cantidad y un dispositivo que se puede cargar facilmente con la c1ase de carga que desee. Mediante estos dispositivos usted puede investigar como se cargan algunos cuerpos cuando son frotados con otros. 3. Coloque dos tiras de acetato, una sobre la otra, y frotelas con un pafio. Investigue como se cargan las dos tiras. 4. Observe con que rapidez se descarga el electroscopio. Luego coloque un puente entre el electroscopio y tierra con una cinta aislante y observe que pasa. C6mo influye la humedad del ambiente en la descarga del electroscopio? 5. Cargue el electroscopio y luego acerquele una llama. Explique. Depende este fen6meno de la clase de carga del electroscopio?
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Preguntas • • •
loPor que un cuerpo cargado atrae pequefios trozos de papel (neutros)? loEs posible cargar un cuerpo metaIico por el metoda de frotamiento? loEn que momentos de la vida cotidiana se observan fenomenos de electricidad estatica? Si estos fenomenos son molestos, (,como podrian evitarse?
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